Schomburg, Annette (1999) Schallstreuung in der atmosphärischen Grenzschicht: physikalische Grundlagen der akustischen Fernerkundung mit SODAR. PhD, Universität Oldenburg.

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Abstract

Für meteorologische Fragestellungen stellt das SODAR (Sound Detection and Ranging), bei dem die Schallstreuung an Turbulenz ausgenutzt wird, ein wichtiges Fernerkundungsverfahren zur Erfassung der Dynamik der bodennahen atmosphärischen Grenzschicht dar. Diese Arbeit befaßt sich mit der Optimierung der räumlichen und zeitlichen Auflösung eines Sodar-Systems zur Erfassung kleinskaliger Strukturen und kurzzeitiger Schwankungen der Windgeschwindigkeit. Mit den entwickelten Signalverarbeitungsalgorithmen ist die Bestimmung von Frequenzschwankungen ebenso möglich, wie die von Amplitudenmodulationen, die auf diesen Frequenzen zu beobachten sind. Es wird untersucht, welchen Einfluß das Rauschen auf die Genauigkeit bei der Bestimmung der Dopplerfrequenz in Abhängigkeit von der Mittelungsdauer und dem Signal-Rausch-Abstand hat und welche Rolle Schwankungen der Amplitude des Signalanteils dabei spielen. Vergleiche der Signalamplitude und der Dopplerfrequenz einer Zweifrequenzmessung geben Aufschluß über das Turbulenzspektrum und der Streubedingungen im Streuvolumen eines Meßzeitraums. Gemessene Windprofile und Temperaturstrukturen im Nachlauf einer Windkraftanlage demonstrieren Einsatzmöglichkeit des Sodar im Bereich der Windenergie. Desweiteren ist eine Methode entwickelt worden, mit der die aus dem Brechungsindex resultierenden Fehler bei der Erstellung eines Windprofils nahezu eliminiert werden können. In numerischen Strahlverfolgungsexperimenten wurde gezeigt, daß unter der Annahme gradliniger Ausbreitung berechnente Mit- und Gegenwindprofile symmetrisch um das wahre Windprofil liegen. Bildung eines Windmittels aus gemessenen Mit- und Gegenwindkomponenten ermöglicht eine Näherung der realen Windgeschwindigkeit. Zudem kann durch Iteration des entsprechenden Laufweges das Temperaturprofil abgeschätzt werden.

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For meteorological research the sodar (Sound Detection and Ranging), which makes use of the scattering of sound by turbulence, represents an important tool to record the dynamics of the atmospheric boundary layer. This work contains studies to optimize the spatial and temporal resolution of a sodar system in order to measure small scale structures and short time fluctuations of the wind velocity. The signal processing algorithms developed allow for the determination of Doppler frequency fluctuations as well as the amplitude modulation observed at these frequencies. The signal analysis includes investigations of the probability density of the scattered signal amplitude and the influence of noise on the accuracy in determining the doppler shift due to averaging time and signal to noise ratio and how the accuracy is effected by fluctuations of the signal amplitude. Representation of signal amplitude and Doppler frequency of a two frequency measurement enable the study of the turbulence spectrum and scattering conditions in the scattering volume. Measured wind profiles and temperature structures in the wake of a wind turbine are demonstrated. Additionally this work introduces a novel technique to eliminate the errors in sodar measured wind velocity profiles due to the assumption of straight line propagation. Numerical ray tracing experiments show that the true wind profile can be approximated by averaging uncorrected up and down wind profiles, since the velocity errors due to beam bending nearly cancel. This knowledge of the true wind profile in turn allows for the estimation of the temperature profile by an iterative approach.

Item Type:	Thesis (PhD)
Uncontrolled Keywords:	[Keine Schlagwörter von Autor/in vergeben.]
Controlled Keywords:	[Keine Schlagwörter von Author/in vergeben.]
Subjects:	Science and mathematics > Physics
Divisions:	Faculty of Mathematics and Science > Institute of Physics (IfP)
Date Deposited:	17 Jan 2013 14:18
Last Modified:	15 Apr 2013 06:06
URI:	https://oops.uni-oldenburg.de/id/eprint/419
URN:	urn:nbn:de:gbv:715-oops-4524
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